ステッピングモーター制御

電気モーターは電気エネルギーを機械エネルギーに変換し、ステッピング モーターの場合は、電気インパルスのエネルギーをローターの回転運動に変換します。各パルスの動作によって生成される動作が高精度で開始および繰り返されるため、ボール モーターは正確な位置決めが必要なデバイスの効率的な駆動になります。

永久磁石ステッピング モーターには、永久磁石ローター、固定子巻線、磁気コアが含まれます。エネルギー コイルは、図に示すように磁気の N 極と S 極を作成します。ステーターの動く磁場により、ローターは常にステーターと一致するように強制されます。この回転磁界は、ロータを回転させるためのステータ コイルの直列励磁を制御することによって調整できます。

二相モータの代表的な励磁方法を図に示します。フェーズ A では、2 つのステーター コイルが通電され、これにより、反対の磁極が互いに引き付けられるため、ローターが引き付けられ、ロックされます。A 相の巻線がオフになり、B 相の巻線がオンになると、ローターは時計回り (英語の CW — 時計回り、CCW — 反時計回り) 90 °回転します。

次に、B 相がオフになり、A 相がオンになりますが、極は最初とは逆になります。これが次の 90 ° ターンにつながります。次に、A 相がオフになり、B 相が逆極性でオンになり、これらの手順を繰り返すと、ローターが時計回りに 90° ずつ回転します。

図のような段階的な制御を単相制御といいます。ステッピング制御のより受け入れられる方法は、図に示すように、モーターの両相が常にオンですが、そのうちの 1 つの極性が変化する 2 相アクティブ制御です。

この制御により、ステッピング モーターのロータが、磁気回路の突起の間に形成された N 極と S 極の中心の各ステップに一致するように移動します。両方の相が常にオンであるため、この制御方法は 1 つのアクティブな相による制御よりも 41.4% 多くのトルクを提供しますが、2 倍の電力が必要になります。

半歩

ステッピング モーターは「セミステップ」にすることもでき、その場合は相遷移中にトリップ ステージが追加されます。これによりピッチ角が半分になります。たとえば、図に示すように、ステッピング モーターは 90 ° ではなく、«ハーフ ステップ» ごとに 45 ° 回転できます。

ただし、ハーフ ステップ モードでは、2 つのアクティブ フェーズによるステップ制御と比較して、15 ～ 30% のトルク損失が発生します。これは、ステップの半分の間、巻線の 1 つが非アクティブになり、最終的にはコイルに作用する電磁力の損失につながるためです。ローター、つまり正味トルク損失。

バイポーラコイル

2 相ステップ制御は、2 極の固定子巻線の存在を前提としています。各相には独自のコイルがあり、コイルに電流が逆流すると、電磁極性も変化します。初期段階は典型的です 二相ドライバー 図に示されています。制御方式を表に示します。コイルを流れる電流の方向を変えるだけで、各相の磁気極性を変更できることがわかります。

単極コイル

もう 1 つの代表的なコイルはユニポーラ コイルで、コイルを 2 つの部分に分割し、一方の部分に通電すると N 極が形成され、もう一方の部分に通電すると S 極が形成されます。このソリューションは、電流の原因となる電気極性が決して変わらないため、単極コイルと呼ばれます。制御ステージを図に示します。

この設計により、より単純な電子ブロックを使用できるようになります。ただし、コイルのワイヤはバイポーラ コイルの半分であるため、バイポーラ コイルと比較してトルクのほぼ 30% が失われます。

その他の傾斜角

より小さなピッチ角を得るには、ローターとステーターの両方に多くの極を設ける必要があります。 7.5° ローターには 12 個の極対があり、ステーター磁気コアには 12 個の突起があります。 2 つのボビン耳と 2 つのコイル。

これにより、7.5° のステップごとに 48 個の極が得られます。この図では、4 極ラグの断面がわかります。もちろん、これらのステップを組み合わせて大きな変位を実現することも可能です。たとえば、7.5°の 6 つのステップにより、ローターの回転は 45° になります。

正確さ

ステッピング モーターの精度は 1 ステップあたり 6 ～ 7% (累積なし) です。 7.5° ステップのステッピング モーターは、すでに実行されているステップ数に関係なく、常に理論的に予測された位置の 0.5° 以内にあります。機械的に360°ごとに段階的に繰り返すため誤差が累積しません。無負荷では、ステーター極とローター極の相互の物理的位置は常に同じになります。

共振

ステッピング モーターはシステムのようなバネの重りであるため、独自の共振周波数を持っています。リズムがモーターの固有共振周波数と一致すると、モーターから発生する音が聞こえ、振動が増幅されます。

共振点はモーターの用途とその負荷によって異なりますが、一般に共振周波数の範囲は 70 ～ 120 ステップ/秒です。モータが共振すると、最悪の場合、制御精度が失われます。

システムの共振問題を回避する簡単な方法は、リズムを共振点から遠ざけるように変更することです。ハーフステップまたはマイクロステップモードでは、速度が増加するにつれて共振点が放棄されるため、共振の問題は軽減されます。

トルク

ステッピング モーターのトルクは、ステップ速度、固定子巻線電流、モーター タイプの関数です。特定のステッピング モーターの出力も、これら 3 つの要素に関係します。ステッピング モーターのトルクは、摩擦トルクと慣性トルクの合計です。

摩擦トルク (グラム/センチメートル単位) は、長さ 1 cm のレバー アームで特定のグラムの重さの負荷を移動するのに必要な力です。モーターのステップ速度が増加すると、モーター内の逆起電力が増加することに注意することが重要です。つまり、モーターが発生する電圧が増加します。これにより、固定子巻線の電流が制限され、トルクが減少します。